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帮你理解微积分

 我爱你文摘 2019-07-20
帮你理解微积分

大神绕道,这里是小白科普,大名鼎鼎的微积分到底是什么,这里我尝试给大家一个简单的理解方式。

微积分按照历史书的知识,应该是牛顿和莱布尼兹分别独立完成的发明,至于怎么理解,这里不做过多解释。

概念

微积分,其实可细分为两部分,微分和积分

  • 微分:把一件事物分解成微小的部分,至于多小呢,就是无限小,这一过程就叫微分,基础就是极限学,因为要分解达到无限接近于零
  • 积分:把无限小的部分累加起来,积少成多的意思

注意:这里并不是专业的定义,只是一种形象的比喻,大家不必纠结,微积分可以直接理解为分解和累加,是两个相反的过程,但是一般解决问题需要结合起来使用

实例:利用微积分来计算圆面积

圆,就是到圆心距离等于定长的点的集合

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古代定义圆

圆的周长都知道怎么计算,其实圆周率就是用来干这件事情的,直径乘以圆周率就等于周长,那面积是怎么计算呢?

既然要用微积分,其实大多数人想到了,和小学学习圆的时候证明是一样的,把圆分解成许多小部分,各个部分面积都计算出来,再加在一起就是圆的面积了,那我们能计算哪些面积呢,能准确计算的,比如三角形,矩形,正方形,这些都是几何学的基础,面积计算很简单,那么问题来了,圆如何去分解出三角形或者矩形呢?

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小学证明是把圆分解成小扇形,随着分解数量越来越多,扇形就可以近似看成三角形,然后求出面积,累加,最后得出结果,我们这里介绍另外一种分解方式,圆环

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如图,分解为多个圆环,每个圆环有内径和外径,如果分解的足够小,那么内径和外径是相等的,我们把圆环剪断,展开,那就是是一个很窄的矩形,矩形面积都知道,以下以r代表圆环内径,dr代表圆环宽度,则矩形面积就是:圆环面积=矩形面积=矩形长x矩形宽=圆环内径周长x圆环内半径,结果如下图

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注意,上面式子中,r代表圆环半径,内径外径相同,就不区分了,同时dr代表圆环宽度,是一个无限小的量,正是我们微分的变量,和r意义不一样,可以认为r是无限多个dr组成

微分过程完成了,我们求出了部分的面积,接下来就是积分了,把所有的面积加起来;

mma里面依次输入:ESC,dintt,ESC,就输入了一个积分符号,如下图:

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积分符号

把矩形面积填入中间的积分部分:

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积分主体

其中r为变量,然后我们填入r的范围,这里我们假设圆半径为R:

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积分范围

圆环面积从圆心积分到圆外侧,也就是r从0到R的范围,这样就是积分过程了,Shift+Enter,看结果:

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证明完毕

看到了熟悉的公式,过程是没有问题的,这就是一个使用微积分解决问题的过程,你理解了吗?

另一种方式

问题是死的,人是活的,圆环这种分解方式并不是死的,还有许多其他分解方式,这里介绍另外一种,分解成小扇形:

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如上图,这个我们按照角度分解,每个扇形当角度无限小的时候可以当作三角形来处理,三角形的高就是半径R,底边长度就是扇形弧长等于弧度乘以半径,于是积分如下:

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积分范围是360度,利用三角形面积公式,得出结果是一样的。

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